JP3834397B2 - レートセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は少なくとも二つの軸線上に加えられたレート（ rate ）を感知するレートセンサに関するもので、好ましくは、ただし限定されるものではないが、三つの軸線上のレートを感知するのに適している。
【０００２】
【従来の技術】
振動構造物ジャイロスコープのような公知のレート(rate)センサは、種々の異なった構造物を使用して構成されてきた。これらはビーム、音叉、シリンダ、半球状シェルおよびリングを備えている。これらの構造物のすべてに共通の特徴は、それらが共振キャリヤモード振動を維持することである。このことはジャイロが適当な軸線の周りで回転するときコリオリの力を発生する線形運動量を生ずる。
【０００３】
添付の図１に線図形式で示された公知の平衡音叉の形状は、多分もっとも普通の構造物の形式である。この機構に対して、音叉１は音叉構造物の平面内で、１８０°位相が異なった運動をする。駆動は所定の駆動レベルに対して運動の振幅を最大にするためモードの共振振動数に調節される。材料の機械的特性および大きさの公差についての正確な情報は、音叉１の振動数を平衡するため必要である。このことは確実に質量中心の周りに正味の力およびトルクが存在しないようにするとともに、線形加速度（ linear accelerations ）に対する感度を低下させる。音叉のステム２の軸線の周りに加えられた角速度ωは、キャリヤの振動および回転軸線に直角の軸線にコリオリの力を発生する。音叉は、図１に示すように、キャリヤモード振動数において位相の外れた振動を生ずる。この振動の振幅は、加えられた回転レートに比例する。
【０００４】
キャリヤおよび応動モードの共振振動数を一致させることによって、これらの装置の感度を増大することが提案された。これらの振動数を正確に一致させることにより、応動モード振動の振幅は構造物の機械的クォリティー係数Ｑだけ増幅される。このことは必然的に構造物の公差を一層厳密にする。実際、適当な点において材料を添加または除去することにより、振動構造物または共振器の平衡を精密に調節することが必要になる。これはモードのスチフネスまたは質量パラメータを調節し、モードの振動数を別々にシフトする。これらの振動数が一致しなければ、Ｑ増幅は発生せず、ピックオフは適当なジャイロ機能を奏するため十分に敏感にしなければならない。
【０００５】
リング、シリンダまたは球状シェルに基づく公知の振動構造ジャイロは、一般にすべてＣｏｓ２θ振動モードを使用する。リングの形式の完全に対称的な共振器に対して、二つの変形Ｃｏｓ２θキャリヤモードが４５°の相対角度で存在する。これらは図２のａおよびｂに示されている。これらのモードの一方は、図２のａにキャリヤモードとして励起される。この構成に対し、すべての振動はリングの平面内で発生する。構造物がリング平面に垂直な軸線（ｚ軸）の周りに回転すると、コリオリの力はエネルギを図２ｂに示された応動モードに組合わせる。これは図３から理解できる。共振器構造物は、実際に半径方向ならびに接線方向に振動する。通常、半径方向運動のみが検出され、この運動のみが、レートがリングの平面に垂直な軸線の周りに加えられるとき、Ｃｏｓ２θキャリヤモードの振動の非節点において実質的にリング状振動構造物に作用するコリオリの力を示す、図３において考慮される。最大半径方向運動の点における速度ベクトルｖ（ velocity vector (v) ）がマークされる。線図は、振動サイクルの途中のその休止位置５からの共振振動構造物４の最大変形を示す。レートが加えられないとき、共振モード運動は発生しない。装置がｚ軸の周りに回転するとき、最大半径方向運動の点は、図示のようにコリオリの力ＦＣ を生ずる。リングの周りのこれらの力の組合わせは、変形Ｃｏｓ２θ応動モードで振動せしめる。発生した運動の振幅は回転レートに比例する。
【０００６】
もしキャリヤおよび応動モード振動が正確に平衡するならば、音叉構造物によるように、増大した感度が得られる。半径方向の等方性を備えた材料を選択することは、この平衡を達成するのにきわめて有利である。しかしながら、付加的の支柱製造精密調節が、所望の精度を実現するのに必要である。
商業ならびに軍事分野において、二軸または三軸のレート検出を必要とする慣性感知ユニットに対して、多数の用途が存在する。このことは、通常二つまたは三つの単軸ジャイロを所要の構造に取付けることによって達成される。本質的に多軸レート検出能力を備えたセンサはこのために大きい利点を有し、かかる装置は大きさ、複雑さ、部品数および組立時間の減少したがってコストの低下を奏する。
【０００７】
二軸のレートを検出しうる装置は公知である。米国、マサチューセッツ州、ケンブリッジ市ドレーパ研究所で開発された振動ホイールジャイロ（ＶＷＯＧ）は、かかる装置の例である。この装置は四つのコンプライアントビームによって、中央で支持されたリング構造物からなっている。共振キャリヤモードはリングの振子回転運動である。リングの平面内におけるｘまたはｙ軸の周りの回転は、リングに入力回転軸線の周りの揺動運動を発生させる。この運動はリングの下に設置された板によって容量的に検出される。かかる公知の装置は、二軸レート検出に対してだけ作動可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一目的は、少なくとも二つの軸線上に加えられたレートを感知する進歩したレートセンサを得ることである。かかるセンサは多軸レート検出能力を備えるのが好ましい。
本発明の別の目的は、単一振動構造物の形式の、少なくとも二つの軸線上に加えられたレートを感知する進歩したレートセンサを得ることである。
本発明のこれらのおよび他の目的および利点は、本発明の好ましい実施例が記載される下記の説明に開示された詳細な記載から一層明らかになるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、振動構造物、振動構造物の平面内の少なくとも二つの軸線の一方または他方の周りの回転が、キャリヤモードにおいて同じ軸線の周りの振動構造物の揺動運動を生ずるのに十分なコリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θキャリヤモードにおいてＣｏｓ２θキャリヤモードの振動数で構造物を振動する手段を有し、振動構造物が実質的に平坦な実質的にリングまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物におけるＣｏｓ２θキャリヤモードおよび揺動モード振動の振動数が一致して揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさにされ、該揺動モード振動の振動数が加えられたレートに比例し、また揺動モード振動したがって加えられたレートを検出する手段を有する、少なくとも二つの軸線において加えられたレートを検出するレートセンサが得られる。
振動構造物が金属またはシリコンから作られるのが好ましい。
通常、振動構造物は、中央ボスから実質的に延長する複数の脚部により支持された外側リムを有するリング状である。
【００１０】
二つの軸線上に加えられたレートを検出するセンサは、金属から作られた実質的に平坦なリング状振動構造物を有するのが有利であり、振動構造物をＣｏｓ２θキャリヤモードで振動する手段は、電磁キャリヤモード駆動要素および容量性キャリヤモードピックオフ要素を有し、ピックオフ要素は振動構造物の外側リムに対してそれぞれ０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するとき前記リムの最大半径方向運動の点に隣接してその半径方向外側に外側リムの平面内に設置され、揺動モード振動を検出する手段はｘ軸電磁駆動要素、ｘ軸容量性キャリヤモードピックオフ要素および、それから垂直に離れてそれと重なる関係において外側リムに隣接して設置されたｙ軸容量性キャリヤモードピックオフ要素を有し、ｙ軸ピックオフ要素、ｘ軸駆動要素、ｙ軸駆動要素およびｘ軸ピックオフ要素が外側リムの周りにそれぞれ０°、９０°、１８０°および２７０°に配置される。
【００１１】
好ましくは、三つの軸線上に加えられたレートを検出するセンサにおいて、振動構造物を振動させる手段は電磁応動モード駆動要素および応動モードで振動するとき外側リムに対する最大半径方向運動の点に隣接して振動構造物の外側リムの平面内に設置された容量性応動モードピックオフ要素をさらに有し、応動モード駆動要素およびピックオフ要素が振動構造物の外側リムに対してそれぞれ１３５°および２２５°に配置され、かつ振動構造物の平面に垂直な軸線の周りの回転を検出するため、その半径方向外側に外側リムの平面内に設置される。
通常、外側リムが平面図で見て実質的に円形または平面図で見て実質的に長方形である。
振動構造物はニッケル−鉄合金から作られるのが有利である。
【００１２】
好ましくは、振動構造物をＣｏｓ２θキャリヤモードで振動させる手段は二つの静電キャリヤモード駆動要素および静電キャリヤモードピックオフ要素を有し、振動構造物の外側リムに対してそれぞれ駆動要素は０°および１８０°にピックオフ要素は９０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するとき外側リムの最大半径方向運動の点に隣接する外側リムの半径方向外側に設置され、また揺動モード振動を検出する手段はｘ軸電磁駆動要素、ｘ軸容量ピックオフ要素、ｙ軸電磁駆動要素およびそこから垂直に離れてそれと重なる関係で外側リムに隣接して設置されたｙ軸容量ピックオフ要素を有し、ｙ軸駆動要素、ｘ軸ピックオフ要素、ｙ軸ピックオフ要素およびｘ軸駆動要素は外側リムの周りに０°、９０°、１８０°および２７０°にそれぞれ配置されたシリコンから作られた実質的に平坦な実質的にリング状の振動構造物を有する二つの軸線上に加えられたレートを検出する。
【００１３】
通常、三つの軸線上に加えられたレートを検出するセンサにおいて、振動構造物を振動する手段が二つの電磁ｚ軸応動モード駆動要素および応動モードで振動するとき外側リムに対する最大半径方向の点に隣接してその半径方向外方に振動構造物の外側リムの平面内に設置された二つの容量性ｚ軸応動モードピックオフ要素をさらに有し、ピックオフ要素は応動モードで振動するとき外側リムに関する最大半径方向動作の点に隣接してその半径方向外側に振動構造物の外側リムの平面内に設置され、第１ｚ軸応動モードピックオフ要素、第２ｚ軸応動モード駆動要素および第２ｚ軸応動モードピックオフ要素は振動構造物の外側リムの周りにそれぞれ４５°、１３５°、２２５°および３１５°に配置される。
平面図で見て実質的に円形で、外側リムおよび脚部がその上に取付けられた中央ボスによって絶縁表層の上方に懸垂されるのが有利である。
好ましくは、振動構造物が、その質量を変化するため外側リムの端部から材料を除去することを制御することにより、または、外側リムのスチフネスを変化するため外側リムの中立軸線から材料を除去することを制御することによって、Ｃｏｓ２θおよび揺動モード振動を一致させるような大きさにされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を一層よく理解するためまたそれがいかに実施されるかを示すため、例示として添付図面を参照する。
本発明によるレートセンサは、少なくとも二つの軸線上に加えられたレートを検出するのに適している。センサは振動構造物６および構造物６の平面内の少なくとも二つの軸線の一方または他方の周りの回転が、Ｃｏｓ２θキャリヤモードの振動数で同じ軸線の周りの振動構造物６の揺動運動を生ずるのに十分なコリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θキャリアモードにおいてＣｏｓ２θキャリヤモードの振動数で構造物６を振動させる手段を有する。振動構造物６は実質的に平坦な実質的にリングまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物におけるＣｏｓ２θキャリヤモードおよび揺動モード振動の振動数が一致して二つの軸線の一方または他方の周りの回転によって生じた揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさにされ、該揺動モード振動は加えられたレートに比例する。またこのセンサはレートが加わると揺動モードの検出をする手段も含まれている。
【００１５】
振動構造物６は金属またはシリコンから作られるのが好ましく、振動構造物は中央ボス９から実質的に半径方向に延長する複数の脚部８により支持された外側リム７を有するリング状であるのが好ましい。
平坦なリング状リム７は、リングリムに実質的に緩衝されないＣｏｓ２θキャリヤモードの振動をさせるため、多数のコンプライアント脚部８によって支持される。通常、リング平面に垂直な軸線の周りの最大レート感度は、正確に平衡された二つのＣｏｓ２θキャリヤモードによって得られる。実際、各脚部８はリング状リム７の質量およびスチフネスに局部的影響を及ぼす。二つのモードの間に動的対称性を維持するため、各モードに対するすべての個々の影響の総和は平衡されなければならない。このことは添付図面の図７に示されたような、リング状リム７の周りに対称的に設置された８本の脚部８を使用することによって達成される。
【００１６】
かかるリングのＣｏｓ２θ運動は図２に示されている。レートがｚ軸１２の周りに加えられるときの、応動モードの励振を生ずるコリオリの力は図３に示され、ｚ軸１２は図の面から外れる。図４は速度がｘ軸１０の周りに加えられるときの、リング状リム７上のＣｏｓ２θキャリヤモードの非節点に加えられる力を示す。力はリング状リム７をｘ軸１０の周りに揺動運動させる。
ｙ軸に沿う対応する点は回転ベクトルＦ０ のようないかなるコリオリの力も発生せず、速度ベクトルｖは同じ軸線に沿って働く。図５はｙ軸１１の周りの回転に対する対応する位置を示す。リング状リム７はこの実施例ではｙ軸１１の周りに揺動する。
【００１７】
リング状リム７のｚ軸回転に対する感度は、キャリヤおよび応動モード振動数が一致することにより増大する。振動構造物の最終要素モデル化は、種々のリング振動モードの共振周波数を計算することを可能にする。Ｃｏｓ２θキャリヤモードによるように、揺動モードもまた相互の角度が９０°の対に変形するときにも発生する。これらのモードに対するリング状リムの運動は、図６のａおよびｂに示されている。その後方位置５からの振動構造物の二つの変形の極限点は、振動サイクルの各半分の間の運動方向とともに示されている（実線および破線矢印参照）。本発明による振動構造物の寸法および形状は、揺動モードの振動数をキャリヤモードの振動数に設定すべく選択される。この結果揺動モード運動の増幅度は構造物のＱ係数だけ増加する。
【００１８】
通常の単軸レートセンサ振動構造物の構造に対して、すべての振動が構造物の平面内で発生する。音叉に対して、キャリヤおよび応動モード振動は二つの異なった平面内で発生する。本発明センサの振動構造物に対して、構造物はいかなる平面内でも自由に振動する。単一Ｃｏｓ２θキャリヤモードは、エネルギを各幾何学的平面内の応動モードに組合わせるのに必要な線形運動量を提供するのに十分である。
【００１９】
本発明による二または三軸レートセンサは、振動構造物の上方および下方のいずれか一方または双方に、付加的駆動およびピックオフ要素を必要とする。このことは装置の大きさがいく分増大するが、全容積は二つまたは三つの適当に配置された単軸ユニットに必要な容積よりかなり小さい。本発明のレートセンサを使用する慣性測定ユニットは、すべての軸に対して単一のキャリヤモードしたがって単一の駆動回路しか必要としない。単軸ジャイロ相当ユニットは三つの別の駆動回路を必要とする。これらはまた、可能な一体化の課題を生ずる僅かに異なった振動数で作動する。電子回路の必要性が少ないことは、動力消費を少なくする。
【００２０】
本発明の一観点によれば、図７の振動構造物は前記のようにリング状の形状を有する。公知の通常の単軸構造に関して、振動構造物リム７の適当な外径は２２mmで、リムの幅は１mm、そして厚さは１，２mmである。構造物はニッケル−鉄合金から作られ、ほぼ５ｋHzの振動数で作動する。好ましくは、構造物はＣｏｓ２θ振動数がすべての他の振動モードから分離するように構成されている。脚部８はリング状リム７をコンプライアントに支持するとともに、低い振動数の振動に対して装置を鈍感にするため、平面軸線の外で十分なスチフネスを維持する。揺動モード共振振動数はこの構造物に対して２ｋHz付近にある。
【００２１】
本発明の目的に対し、振動構造物の構造はＣｏｓ２θおよび揺動モード振動数を一致させるため変形される。これらの二つのモード振動数を一致させるため、脚部８はリング状リム７に比較して一層剛性を高くする必要があり、また厚さは公知の通常の単軸振動構造物の構造における厚さ１．２mmm より一層厚くする必要がある。このことはセンサの取付け感度を増加する可能性があるとともに、多分機械的Ｑを減少する。振動構造物のリングの適当な寸法は外２２mm、リム幅０．５mm、そして厚さは２mm付近にある。問題の共振振動数は、振動構造物の構造では３．１ｋHz付近にある。
【００２２】
機械的同調はモードの正確な平衡を達成するため必要である。これは、スチフネスおよび質量に影響する、リング状リム７の端部からの材料の除去の制御、または中立軸線にかける質量の除去によって達成される。同様の工程が揺動およびＣｏｓ２θキャリヤモードを平衡するため必要である。揺動モードに対して、リング状リム７は単に脚部８において担持された質量と考えることができる。リング状リム７の端部からの材料の除去は担持された質量を減少し、共振振動数を増加する。Ｃｏｓ２θキャリヤモードに対して、スチフネスは低下され振動数の減少に導く。かくして二つのモードの振動数は別々にシフトされそれらを正確に平衡せしめる。
【００２３】
二つの軸線上に加えられたレートを感知するため、図７に示されたように振動構造物６を利用する本発明の第１実施例によるレートセンサは、線図的に図８に示されている。実質的に平坦なリング状構造物８は、金属から作られる。構造物を振動させる手段は、電磁的、静電的またはピエゾ電気的であり、運動を検出する手段は容量的、電磁的、ピエゾ電気的、光学または歪みゲージとすることができる。電磁的駆動要素および容量的ピックオフを使用するのが好ましい。
【００２４】
添付図面の図８に示されたように、二つの軸線上に加えられたレートを感知するための本発明の第１実施例によるレートセンサは、構造物６をＣｏｓ２θキャリヤモードで振動させる手段を有し、その手段は電磁的キャリヤモード駆動要素１３および容量的キャリヤモードピックオフ要素１４を含み、ピックオフ要素１４は構造物６の他のリム７に対してそれぞれ０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するときリム７の最大半径方向運動の点に隣接して半径方向外方に設置されている。揺動モード振動を検出する手段は、ｘ軸電磁的駆動要素１５、ｘ軸容量的ピックオフ要素１６、ｙ軸電磁的駆動要素１７およびｙ軸容量的ピックオフ要素１８を含み、ピックオフ要素１８は外側リム７に対して平面の外にそこから垂直に離れてそれと重なる関係で外側リム７に隣接して設置されている。ｙ軸ピックオフ要素１８、ｘ軸駆動要素１５、ｙ軸駆動要素１７およびｘ軸ピックオフ要素１６は、外側リム７の周りにそれぞれ０°，９０°，１８０°および２７０°に配置されている。
【００２５】
二軸設備に対して同じキャリヤモードが使用されるが、二つのＣｏｓ２θキャリヤモードの振動数の間に意図しない不一致が存在する。この不一致は、図１０ａに示されたように、リング状リム７上の四つの等距離の点における質量またはスチフネスを混乱させることにより製造工程中に組込まれる。そうでなければ、図１０ｂに示されたような四つだけの支持脚部８を利用する振動構造物の構造も、二つのＣｏｓ２θキャリヤモードに分かれる。振動の基本的モードを支持しうる図１０ｃに示された長方形平面のような、半径方向非対称の形の使用も、満足できる。これらの別の二軸振動構造は、キャリヤモード位置が正確に振動リング形状によって公知の位置に正確に固定される利点を有する。これらの形状は、二つのＣｏｓ２θキャリヤモードに対して動的に非対称であるが、揺動モードの対に関する限りなお対称的である。この形状は振動構造物の平面内のｘおよびｙ軸の周りのレートの感度を発生する。ｚ軸周りの感度は発生しない。
軸に対してそれぞれ一つの駆動およびピックオフ要素が、図８の実施例において示され、付加的の駆動およびピックオフ要素は、もし運動の大きさおよび感度の増加を望むならば、使用することができる。これは図９の実施例に示されている。
【００２６】
図９に示された本発明の実施例は、三軸上に加えられたレートを感知するレートセンサである。この実施例に対して、Ｃｏｓ２θキャリヤおよび応動モード振動数を一致させなければならず、図７に示された振動構造物のみが適している。センサは図８等の実施例と基本的に同じであり、同じ部品は同じ参照符号を付され、これ以上詳細に説明はしない。しかしながら、この実施例において、振動構造物６を振動させる手段は、さらに、電磁応動モード駆動要素１９および容量応動モードピックオフ要素２０を含み、ピックオフ要素２０は応動モードで振動するとき、外側リム７に対して最大半径運動の点に隣接して振動構造物６の外側リム７の平面内に設置される。応動モード駆動要素１９およびピックオフ要素２０は、振動構造物６の外側リムに対してそれぞれ１３５°および２２５°に配置され、かつ振動構造物の平面に対して垂直な軸線の周りの回転を感知するため、その半径方向外部に外側リムの平面内に設置されている。この軸の周りの回転はコリオリの力を発生し、それはリム７の平面内のＣｏｓ２θ応動モードの振動を発生する。この振動の振幅は加えられたレートに比例する。
【００２７】
図９のセンサは強制フィードバック構造で作動され、応動モードピックオフ要素２０検出された運動は、応動モード駆動要素１９を使用してゼロにされる。ｘ軸の周りのセンサの回転は、ｘ軸ピックオフ要素１６において振動を誘起する。この運動は、ｘ軸駆動要素１５を使用してゼロにされる。ｙ軸ピックオフ要素１８および駆動要素１７は別々に作用する。この作用モードは、平面ピックオフ要素にノイズを発生するかもしれない、リング状リム７のいかなる平面運動をも阻止する。駆動要素１５および１７は平衡させる目的で、揺動モードを励起するのに役立つ。
図８および９の実施例におけるセンサは、金属振動構造物６を備えている。しかしながらセンサは、適当な性質を有しかつ前記のような共振および検出される合成運動を設定しうるいかなる材料からも製造することができる。結晶シリコン、ポリシリコン、クォーツのような材料から、微細加工技術によって振動構造物を製造することもできる。
【００２８】
添付図面の図１１は、図８および９の実施例に関連してすでに記載されたシリコン振動構造物６を使用する本発明の第３実施例によるセンサを線図的に示し、駆動要素は電磁的、静電的、ピエゾ、熱または光学的に作動することができ、また振動構造物６の運動は、静電的、電磁的、ピエゾまたは光学的技術を使用して検出することができる。図１１は、静電駆動要素および静電ピックオフを使用するシリコンの二軸レートセンサを示している。振動構造物６は、前記のように通常リム７、脚部８およひ中央ボス９を有する、実質的に平坦な実質的にリング状の形状を有する。振動構造物６は、実質的に平坦な実質的にリング状の形状を有し、前記のように外側リム７。脚部８および中央ボス９を有する。構造物６はガラスまたは絶縁酸化表面層を備えたシリコンから作りうる絶縁層２１上に、ボス９を介して設置される。振動構造物６は駆動およびピックオフ要素として作用するすべての導体に対して一定電圧に維持される。
【００２９】
図１１の実施例において、Ｃｏｓ２θキャリヤモードで振動構造物６を振動させる手段は、二つの静電キャリヤ駆動要素２２および二つの静電キャリヤモードピックオフ要素２３を有し、ピックオフ要素２３は駆動要素２２に対して０°おわび１８０°に配置され、ピックオフ要素２３は振動構造物６の外側リム７に対してそれぞれ９０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するとき、リム７の最大半径方向運動の点に隣接して外側リムの半径方向外側に設置される。これらのキャリヤモード駆動要素２２は、振動構造物６を振動せしめるため使用される。キャリヤモード非節点に設置されたキャリヤモードピックオフ要素２３は、振動構造物６の半径方向運動を感知する。
【００３０】
図１１の実施例において、揺動モード振動を感知する手段は、ｘ軸静電駆動要素２４、ｘ軸静電ピックオフ要素２５、ｙ軸静電駆動要素２６およびｙ軸静電ピックオフ要素２７を備え、ピックオフ要素２７はｙ軸駆動要素２６から垂直に離れてそれと重なる関係で外側リムに隣接して設置され、ｘ軸ピックオフ要素２５、ｙ軸ピックオフ要素２７およびｘ軸駆動要素２４は、それぞれ外側リムの周りに０°、９０°、１８０°および２７０°に配置されている。
ｘ軸レート応動モードの揺動運動は、リム７の下の支持層表面に設置されたピックオフ要素２５によって検出される。この運動は、リム７の反対側の下に同様に設置されたｘ軸駆動要素２４を使用してゼロにされる。ｙ軸レート応動運動は、ピックオフ要素２７を使用して同様に検出され、駆動要素２６によってゼロにされる。種々の駆動およびピックオフ導***置は、表面層に載置されたトラッキング２８を介して、ボンドパッド２９に接続される。ついで駆動およびピックオフ回路が、これらのボンドパッドに接続される。図１１のセンサの横断面は図１３に示されている。この図は平面内のトポグラフィおよび表面の導体を一層鮮明に示している。
【００３１】
添付図面の図１２は、三つの軸線上に加えられたレートを感知する本発明の第４実施例によるセンサを平面図で示す。このレートセンサは、基本的に図１１等の実施例と同様で、同じ部品は同じ参照符号で示され、さらに説明されることはない。図１２の実施例において、振動構造物６を振動させる手段は、二つの静電ｚ軸応動モード駆動要素３０および二つの静電ｚ軸応動モードピックオフ要素３１をさらに有し、ピックオフ要素３１は、応動モードで振動するとき、外側リム７に対する最大半径方向運動点に隣接してその半径方向外側に振動構造物６の外側リム７の平面内に設置されている。第１ｚ軸応動モード駆動要素３０、第１ｚ軸応動モードピックオフ要素３１、第２ｚ軸応動モード駆動要素３０および第２ｚ軸応動モードピックオフ要素３１は、振動構造物６の外側リム７の周りに４５°、１３５°、２２５°および３１５°にそれぞれ配置されている。ｚ軸レートセンサ応動モード運動は、ピックオフ要素３１によって検出される。
【００３２】
図１１および１２において質量およびひスチフネスを調節するため、振動構造物６からの材料除去は、レーザ研磨技術を使用して実施することができる。さらに図１１の二軸レートセンサは、八つの脚部を備えた振動構造物６を示しているが、図１０ａ，ｂおよびｃに示された構造物に対応する形状および形式をゆうするものを代わりに使用することができる。
種々の変形および変更が、図示しかつ記載された実施例に対して、特許請求の範囲の記載の範囲内でなしうるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によらない、通常の平衡音叉振動構造物の略図。
【図２】 ａは通常の方法でキャリヤモードとして作用する、対称共振器または振動構造物における変形Ｃｏｓ２θキャリヤモードの振動を示す線図で、ｂはａに対して４５°をなすが、しかし応動モードとして作用する別の変形Ｃｏｓ２θの線図。
【図３】 レートが、通常の方法でリングの平面に垂直な軸線（ｚ軸）の周りに加えられるとき、Ｃｏｓ２θキャリヤモード振動の非節点において、実質的にリング状の振動構造物に作用するコリオリの力を示す線図。
【図４】 レートが同じＣｏｓ２θキャリヤモードでｘ軸の周りに加えられるとき、実質的にリング状の振動構造物に加えられる力を示す線図。
【図５】 図４と同様の状態の、しかしｙ軸の周りの回転に対する線図。
【図６】 ａは本発明によるｙ軸上の休止位置からの振動構造物の本発明による揺動モードを示し、ｂはａと同様であるがｘ軸の休止位置の周りの振動構造物の揺動運動を示す図。
【図７】 本発明のセンサに使用するのに適した振動構造物の線図的平面図。
【図８】 本発明の一実施例による二軸レートセンサの線図的平面図。
【図９】 本発明の第２実施例による三軸レートセンサの線図的平面図。
【図１０】 ａは本発明による二軸レートセンサに使用する振動構造物の構造を示す図、ｂはａとは別の構造の図、ｃはさらに別の構造の図。
【図１１】 本発明の第３実施例による二軸レートセンサの線図的平面図。
【図１２】 本発明の第４実施例による三軸レートセンサの線図的平面図。
【図１３】 図１２の実施例の詳細端面図。
【符号の説明】
６ 振動構造物
７ リング状リム
８ 脚部
９ 中心ボス
１０ ｘ軸
１１ ｙ軸
１２ ｚ軸
１３ 電磁的キャリヤモード駆動要素
１４ 容量的ピックオフ要素
１５ ｘ軸電磁的駆動要素
１６ ｘ軸容量的ピックオフ要素
１７ ｙ軸電磁的駆動要素
１８ ｙ軸容量的ピックオフ要素
１９ 電磁応動モード駆動要素
２０ 容量応動モードピックオフ要素
２２ 静電キャリヤ駆動要素
２３ 静電キャリヤモードピックオフ要素
２４ ｘ軸静電駆動要素
２５ ｘ軸静電ピックオフ要素
２６ ｙ軸静電駆動要素
２７ ｙ軸静電ピックオフ要素
２８ トラッキング
２９ ボンドパッド
３０ ｚ軸応動モード駆動要素
３１ ｚ軸応動モードピックオフ要素
【発明の属する技術分野】
本発明は少なくとも二つの軸線上に加えられたレート（ rate ）を感知するレートセンサに関するもので、好ましくは、ただし限定されるものではないが、三つの軸線上のレートを感知するのに適している。
【０００２】
【従来の技術】
振動構造物ジャイロスコープのような公知のレート(rate)センサは、種々の異なった構造物を使用して構成されてきた。これらはビーム、音叉、シリンダ、半球状シェルおよびリングを備えている。これらの構造物のすべてに共通の特徴は、それらが共振キャリヤモード振動を維持することである。このことはジャイロが適当な軸線の周りで回転するときコリオリの力を発生する線形運動量を生ずる。
【０００３】
添付の図１に線図形式で示された公知の平衡音叉の形状は、多分もっとも普通の構造物の形式である。この機構に対して、音叉１は音叉構造物の平面内で、１８０°位相が異なった運動をする。駆動は所定の駆動レベルに対して運動の振幅を最大にするためモードの共振振動数に調節される。材料の機械的特性および大きさの公差についての正確な情報は、音叉１の振動数を平衡するため必要である。このことは確実に質量中心の周りに正味の力およびトルクが存在しないようにするとともに、線形加速度（ linear accelerations ）に対する感度を低下させる。音叉のステム２の軸線の周りに加えられた角速度ωは、キャリヤの振動および回転軸線に直角の軸線にコリオリの力を発生する。音叉は、図１に示すように、キャリヤモード振動数において位相の外れた振動を生ずる。この振動の振幅は、加えられた回転レートに比例する。
【０００４】
キャリヤおよび応動モードの共振振動数を一致させることによって、これらの装置の感度を増大することが提案された。これらの振動数を正確に一致させることにより、応動モード振動の振幅は構造物の機械的クォリティー係数Ｑだけ増幅される。このことは必然的に構造物の公差を一層厳密にする。実際、適当な点において材料を添加または除去することにより、振動構造物または共振器の平衡を精密に調節することが必要になる。これはモードのスチフネスまたは質量パラメータを調節し、モードの振動数を別々にシフトする。これらの振動数が一致しなければ、Ｑ増幅は発生せず、ピックオフは適当なジャイロ機能を奏するため十分に敏感にしなければならない。
【０００５】
リング、シリンダまたは球状シェルに基づく公知の振動構造ジャイロは、一般にすべてＣｏｓ２θ振動モードを使用する。リングの形式の完全に対称的な共振器に対して、二つの変形Ｃｏｓ２θキャリヤモードが４５°の相対角度で存在する。これらは図２のａおよびｂに示されている。これらのモードの一方は、図２のａにキャリヤモードとして励起される。この構成に対し、すべての振動はリングの平面内で発生する。構造物がリング平面に垂直な軸線（ｚ軸）の周りに回転すると、コリオリの力はエネルギを図２ｂに示された応動モードに組合わせる。これは図３から理解できる。共振器構造物は、実際に半径方向ならびに接線方向に振動する。通常、半径方向運動のみが検出され、この運動のみが、レートがリングの平面に垂直な軸線の周りに加えられるとき、Ｃｏｓ２θキャリヤモードの振動の非節点において実質的にリング状振動構造物に作用するコリオリの力を示す、図３において考慮される。最大半径方向運動の点における速度ベクトルｖ（ velocity vector (v) ）がマークされる。線図は、振動サイクルの途中のその休止位置５からの共振振動構造物４の最大変形を示す。レートが加えられないとき、共振モード運動は発生しない。装置がｚ軸の周りに回転するとき、最大半径方向運動の点は、図示のようにコリオリの力ＦＣ を生ずる。リングの周りのこれらの力の組合わせは、変形Ｃｏｓ２θ応動モードで振動せしめる。発生した運動の振幅は回転レートに比例する。
【０００６】
もしキャリヤおよび応動モード振動が正確に平衡するならば、音叉構造物によるように、増大した感度が得られる。半径方向の等方性を備えた材料を選択することは、この平衡を達成するのにきわめて有利である。しかしながら、付加的の支柱製造精密調節が、所望の精度を実現するのに必要である。
商業ならびに軍事分野において、二軸または三軸のレート検出を必要とする慣性感知ユニットに対して、多数の用途が存在する。このことは、通常二つまたは三つの単軸ジャイロを所要の構造に取付けることによって達成される。本質的に多軸レート検出能力を備えたセンサはこのために大きい利点を有し、かかる装置は大きさ、複雑さ、部品数および組立時間の減少したがってコストの低下を奏する。
【０００７】
二軸のレートを検出しうる装置は公知である。米国、マサチューセッツ州、ケンブリッジ市ドレーパ研究所で開発された振動ホイールジャイロ（ＶＷＯＧ）は、かかる装置の例である。この装置は四つのコンプライアントビームによって、中央で支持されたリング構造物からなっている。共振キャリヤモードはリングの振子回転運動である。リングの平面内におけるｘまたはｙ軸の周りの回転は、リングに入力回転軸線の周りの揺動運動を発生させる。この運動はリングの下に設置された板によって容量的に検出される。かかる公知の装置は、二軸レート検出に対してだけ作動可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一目的は、少なくとも二つの軸線上に加えられたレートを感知する進歩したレートセンサを得ることである。かかるセンサは多軸レート検出能力を備えるのが好ましい。
本発明の別の目的は、単一振動構造物の形式の、少なくとも二つの軸線上に加えられたレートを感知する進歩したレートセンサを得ることである。
本発明のこれらのおよび他の目的および利点は、本発明の好ましい実施例が記載される下記の説明に開示された詳細な記載から一層明らかになるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、振動構造物、振動構造物の平面内の少なくとも二つの軸線の一方または他方の周りの回転が、キャリヤモードにおいて同じ軸線の周りの振動構造物の揺動運動を生ずるのに十分なコリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θキャリヤモードにおいてＣｏｓ２θキャリヤモードの振動数で構造物を振動する手段を有し、振動構造物が実質的に平坦な実質的にリングまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物におけるＣｏｓ２θキャリヤモードおよび揺動モード振動の振動数が一致して揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさにされ、該揺動モード振動の振動数が加えられたレートに比例し、また揺動モード振動したがって加えられたレートを検出する手段を有する、少なくとも二つの軸線において加えられたレートを検出するレートセンサが得られる。
振動構造物が金属またはシリコンから作られるのが好ましい。
通常、振動構造物は、中央ボスから実質的に延長する複数の脚部により支持された外側リムを有するリング状である。
【００１０】
二つの軸線上に加えられたレートを検出するセンサは、金属から作られた実質的に平坦なリング状振動構造物を有するのが有利であり、振動構造物をＣｏｓ２θキャリヤモードで振動する手段は、電磁キャリヤモード駆動要素および容量性キャリヤモードピックオフ要素を有し、ピックオフ要素は振動構造物の外側リムに対してそれぞれ０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するとき前記リムの最大半径方向運動の点に隣接してその半径方向外側に外側リムの平面内に設置され、揺動モード振動を検出する手段はｘ軸電磁駆動要素、ｘ軸容量性キャリヤモードピックオフ要素および、それから垂直に離れてそれと重なる関係において外側リムに隣接して設置されたｙ軸容量性キャリヤモードピックオフ要素を有し、ｙ軸ピックオフ要素、ｘ軸駆動要素、ｙ軸駆動要素およびｘ軸ピックオフ要素が外側リムの周りにそれぞれ０°、９０°、１８０°および２７０°に配置される。
【００１１】
好ましくは、三つの軸線上に加えられたレートを検出するセンサにおいて、振動構造物を振動させる手段は電磁応動モード駆動要素および応動モードで振動するとき外側リムに対する最大半径方向運動の点に隣接して振動構造物の外側リムの平面内に設置された容量性応動モードピックオフ要素をさらに有し、応動モード駆動要素およびピックオフ要素が振動構造物の外側リムに対してそれぞれ１３５°および２２５°に配置され、かつ振動構造物の平面に垂直な軸線の周りの回転を検出するため、その半径方向外側に外側リムの平面内に設置される。
通常、外側リムが平面図で見て実質的に円形または平面図で見て実質的に長方形である。
振動構造物はニッケル−鉄合金から作られるのが有利である。
【００１２】
好ましくは、振動構造物をＣｏｓ２θキャリヤモードで振動させる手段は二つの静電キャリヤモード駆動要素および静電キャリヤモードピックオフ要素を有し、振動構造物の外側リムに対してそれぞれ駆動要素は０°および１８０°にピックオフ要素は９０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するとき外側リムの最大半径方向運動の点に隣接する外側リムの半径方向外側に設置され、また揺動モード振動を検出する手段はｘ軸電磁駆動要素、ｘ軸容量ピックオフ要素、ｙ軸電磁駆動要素およびそこから垂直に離れてそれと重なる関係で外側リムに隣接して設置されたｙ軸容量ピックオフ要素を有し、ｙ軸駆動要素、ｘ軸ピックオフ要素、ｙ軸ピックオフ要素およびｘ軸駆動要素は外側リムの周りに０°、９０°、１８０°および２７０°にそれぞれ配置されたシリコンから作られた実質的に平坦な実質的にリング状の振動構造物を有する二つの軸線上に加えられたレートを検出する。
【００１３】
通常、三つの軸線上に加えられたレートを検出するセンサにおいて、振動構造物を振動する手段が二つの電磁ｚ軸応動モード駆動要素および応動モードで振動するとき外側リムに対する最大半径方向の点に隣接してその半径方向外方に振動構造物の外側リムの平面内に設置された二つの容量性ｚ軸応動モードピックオフ要素をさらに有し、ピックオフ要素は応動モードで振動するとき外側リムに関する最大半径方向動作の点に隣接してその半径方向外側に振動構造物の外側リムの平面内に設置され、第１ｚ軸応動モードピックオフ要素、第２ｚ軸応動モード駆動要素および第２ｚ軸応動モードピックオフ要素は振動構造物の外側リムの周りにそれぞれ４５°、１３５°、２２５°および３１５°に配置される。
平面図で見て実質的に円形で、外側リムおよび脚部がその上に取付けられた中央ボスによって絶縁表層の上方に懸垂されるのが有利である。
好ましくは、振動構造物が、その質量を変化するため外側リムの端部から材料を除去することを制御することにより、または、外側リムのスチフネスを変化するため外側リムの中立軸線から材料を除去することを制御することによって、Ｃｏｓ２θおよび揺動モード振動を一致させるような大きさにされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を一層よく理解するためまたそれがいかに実施されるかを示すため、例示として添付図面を参照する。
本発明によるレートセンサは、少なくとも二つの軸線上に加えられたレートを検出するのに適している。センサは振動構造物６および構造物６の平面内の少なくとも二つの軸線の一方または他方の周りの回転が、Ｃｏｓ２θキャリヤモードの振動数で同じ軸線の周りの振動構造物６の揺動運動を生ずるのに十分なコリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θキャリアモードにおいてＣｏｓ２θキャリヤモードの振動数で構造物６を振動させる手段を有する。振動構造物６は実質的に平坦な実質的にリングまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物におけるＣｏｓ２θキャリヤモードおよび揺動モード振動の振動数が一致して二つの軸線の一方または他方の周りの回転によって生じた揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさにされ、該揺動モード振動は加えられたレートに比例する。またこのセンサはレートが加わると揺動モードの検出をする手段も含まれている。
【００１５】
振動構造物６は金属またはシリコンから作られるのが好ましく、振動構造物は中央ボス９から実質的に半径方向に延長する複数の脚部８により支持された外側リム７を有するリング状であるのが好ましい。
平坦なリング状リム７は、リングリムに実質的に緩衝されないＣｏｓ２θキャリヤモードの振動をさせるため、多数のコンプライアント脚部８によって支持される。通常、リング平面に垂直な軸線の周りの最大レート感度は、正確に平衡された二つのＣｏｓ２θキャリヤモードによって得られる。実際、各脚部８はリング状リム７の質量およびスチフネスに局部的影響を及ぼす。二つのモードの間に動的対称性を維持するため、各モードに対するすべての個々の影響の総和は平衡されなければならない。このことは添付図面の図７に示されたような、リング状リム７の周りに対称的に設置された８本の脚部８を使用することによって達成される。
【００１６】
かかるリングのＣｏｓ２θ運動は図２に示されている。レートがｚ軸１２の周りに加えられるときの、応動モードの励振を生ずるコリオリの力は図３に示され、ｚ軸１２は図の面から外れる。図４は速度がｘ軸１０の周りに加えられるときの、リング状リム７上のＣｏｓ２θキャリヤモードの非節点に加えられる力を示す。力はリング状リム７をｘ軸１０の周りに揺動運動させる。
ｙ軸に沿う対応する点は回転ベクトルＦ０ のようないかなるコリオリの力も発生せず、速度ベクトルｖは同じ軸線に沿って働く。図５はｙ軸１１の周りの回転に対する対応する位置を示す。リング状リム７はこの実施例ではｙ軸１１の周りに揺動する。
【００１７】
リング状リム７のｚ軸回転に対する感度は、キャリヤおよび応動モード振動数が一致することにより増大する。振動構造物の最終要素モデル化は、種々のリング振動モードの共振周波数を計算することを可能にする。Ｃｏｓ２θキャリヤモードによるように、揺動モードもまた相互の角度が９０°の対に変形するときにも発生する。これらのモードに対するリング状リムの運動は、図６のａおよびｂに示されている。その後方位置５からの振動構造物の二つの変形の極限点は、振動サイクルの各半分の間の運動方向とともに示されている（実線および破線矢印参照）。本発明による振動構造物の寸法および形状は、揺動モードの振動数をキャリヤモードの振動数に設定すべく選択される。この結果揺動モード運動の増幅度は構造物のＱ係数だけ増加する。
【００１８】
通常の単軸レートセンサ振動構造物の構造に対して、すべての振動が構造物の平面内で発生する。音叉に対して、キャリヤおよび応動モード振動は二つの異なった平面内で発生する。本発明センサの振動構造物に対して、構造物はいかなる平面内でも自由に振動する。単一Ｃｏｓ２θキャリヤモードは、エネルギを各幾何学的平面内の応動モードに組合わせるのに必要な線形運動量を提供するのに十分である。
【００１９】
本発明による二または三軸レートセンサは、振動構造物の上方および下方のいずれか一方または双方に、付加的駆動およびピックオフ要素を必要とする。このことは装置の大きさがいく分増大するが、全容積は二つまたは三つの適当に配置された単軸ユニットに必要な容積よりかなり小さい。本発明のレートセンサを使用する慣性測定ユニットは、すべての軸に対して単一のキャリヤモードしたがって単一の駆動回路しか必要としない。単軸ジャイロ相当ユニットは三つの別の駆動回路を必要とする。これらはまた、可能な一体化の課題を生ずる僅かに異なった振動数で作動する。電子回路の必要性が少ないことは、動力消費を少なくする。
【００２０】
本発明の一観点によれば、図７の振動構造物は前記のようにリング状の形状を有する。公知の通常の単軸構造に関して、振動構造物リム７の適当な外径は２２mmで、リムの幅は１mm、そして厚さは１，２mmである。構造物はニッケル−鉄合金から作られ、ほぼ５ｋHzの振動数で作動する。好ましくは、構造物はＣｏｓ２θ振動数がすべての他の振動モードから分離するように構成されている。脚部８はリング状リム７をコンプライアントに支持するとともに、低い振動数の振動に対して装置を鈍感にするため、平面軸線の外で十分なスチフネスを維持する。揺動モード共振振動数はこの構造物に対して２ｋHz付近にある。
【００２１】
本発明の目的に対し、振動構造物の構造はＣｏｓ２θおよび揺動モード振動数を一致させるため変形される。これらの二つのモード振動数を一致させるため、脚部８はリング状リム７に比較して一層剛性を高くする必要があり、また厚さは公知の通常の単軸振動構造物の構造における厚さ１．２mmm より一層厚くする必要がある。このことはセンサの取付け感度を増加する可能性があるとともに、多分機械的Ｑを減少する。振動構造物のリングの適当な寸法は外２２mm、リム幅０．５mm、そして厚さは２mm付近にある。問題の共振振動数は、振動構造物の構造では３．１ｋHz付近にある。
【００２２】
機械的同調はモードの正確な平衡を達成するため必要である。これは、スチフネスおよび質量に影響する、リング状リム７の端部からの材料の除去の制御、または中立軸線にかける質量の除去によって達成される。同様の工程が揺動およびＣｏｓ２θキャリヤモードを平衡するため必要である。揺動モードに対して、リング状リム７は単に脚部８において担持された質量と考えることができる。リング状リム７の端部からの材料の除去は担持された質量を減少し、共振振動数を増加する。Ｃｏｓ２θキャリヤモードに対して、スチフネスは低下され振動数の減少に導く。かくして二つのモードの振動数は別々にシフトされそれらを正確に平衡せしめる。
【００２３】
二つの軸線上に加えられたレートを感知するため、図７に示されたように振動構造物６を利用する本発明の第１実施例によるレートセンサは、線図的に図８に示されている。実質的に平坦なリング状構造物８は、金属から作られる。構造物を振動させる手段は、電磁的、静電的またはピエゾ電気的であり、運動を検出する手段は容量的、電磁的、ピエゾ電気的、光学または歪みゲージとすることができる。電磁的駆動要素および容量的ピックオフを使用するのが好ましい。
【００２４】
添付図面の図８に示されたように、二つの軸線上に加えられたレートを感知するための本発明の第１実施例によるレートセンサは、構造物６をＣｏｓ２θキャリヤモードで振動させる手段を有し、その手段は電磁的キャリヤモード駆動要素１３および容量的キャリヤモードピックオフ要素１４を含み、ピックオフ要素１４は構造物６の他のリム７に対してそれぞれ０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するときリム７の最大半径方向運動の点に隣接して半径方向外方に設置されている。揺動モード振動を検出する手段は、ｘ軸電磁的駆動要素１５、ｘ軸容量的ピックオフ要素１６、ｙ軸電磁的駆動要素１７およびｙ軸容量的ピックオフ要素１８を含み、ピックオフ要素１８は外側リム７に対して平面の外にそこから垂直に離れてそれと重なる関係で外側リム７に隣接して設置されている。ｙ軸ピックオフ要素１８、ｘ軸駆動要素１５、ｙ軸駆動要素１７およびｘ軸ピックオフ要素１６は、外側リム７の周りにそれぞれ０°，９０°，１８０°および２７０°に配置されている。
【００２５】
二軸設備に対して同じキャリヤモードが使用されるが、二つのＣｏｓ２θキャリヤモードの振動数の間に意図しない不一致が存在する。この不一致は、図１０ａに示されたように、リング状リム７上の四つの等距離の点における質量またはスチフネスを混乱させることにより製造工程中に組込まれる。そうでなければ、図１０ｂに示されたような四つだけの支持脚部８を利用する振動構造物の構造も、二つのＣｏｓ２θキャリヤモードに分かれる。振動の基本的モードを支持しうる図１０ｃに示された長方形平面のような、半径方向非対称の形の使用も、満足できる。これらの別の二軸振動構造は、キャリヤモード位置が正確に振動リング形状によって公知の位置に正確に固定される利点を有する。これらの形状は、二つのＣｏｓ２θキャリヤモードに対して動的に非対称であるが、揺動モードの対に関する限りなお対称的である。この形状は振動構造物の平面内のｘおよびｙ軸の周りのレートの感度を発生する。ｚ軸周りの感度は発生しない。
軸に対してそれぞれ一つの駆動およびピックオフ要素が、図８の実施例において示され、付加的の駆動およびピックオフ要素は、もし運動の大きさおよび感度の増加を望むならば、使用することができる。これは図９の実施例に示されている。
【００２６】
図９に示された本発明の実施例は、三軸上に加えられたレートを感知するレートセンサである。この実施例に対して、Ｃｏｓ２θキャリヤおよび応動モード振動数を一致させなければならず、図７に示された振動構造物のみが適している。センサは図８等の実施例と基本的に同じであり、同じ部品は同じ参照符号を付され、これ以上詳細に説明はしない。しかしながら、この実施例において、振動構造物６を振動させる手段は、さらに、電磁応動モード駆動要素１９および容量応動モードピックオフ要素２０を含み、ピックオフ要素２０は応動モードで振動するとき、外側リム７に対して最大半径運動の点に隣接して振動構造物６の外側リム７の平面内に設置される。応動モード駆動要素１９およびピックオフ要素２０は、振動構造物６の外側リムに対してそれぞれ１３５°および２２５°に配置され、かつ振動構造物の平面に対して垂直な軸線の周りの回転を感知するため、その半径方向外部に外側リムの平面内に設置されている。この軸の周りの回転はコリオリの力を発生し、それはリム７の平面内のＣｏｓ２θ応動モードの振動を発生する。この振動の振幅は加えられたレートに比例する。
【００２７】
図９のセンサは強制フィードバック構造で作動され、応動モードピックオフ要素２０検出された運動は、応動モード駆動要素１９を使用してゼロにされる。ｘ軸の周りのセンサの回転は、ｘ軸ピックオフ要素１６において振動を誘起する。この運動は、ｘ軸駆動要素１５を使用してゼロにされる。ｙ軸ピックオフ要素１８および駆動要素１７は別々に作用する。この作用モードは、平面ピックオフ要素にノイズを発生するかもしれない、リング状リム７のいかなる平面運動をも阻止する。駆動要素１５および１７は平衡させる目的で、揺動モードを励起するのに役立つ。
図８および９の実施例におけるセンサは、金属振動構造物６を備えている。しかしながらセンサは、適当な性質を有しかつ前記のような共振および検出される合成運動を設定しうるいかなる材料からも製造することができる。結晶シリコン、ポリシリコン、クォーツのような材料から、微細加工技術によって振動構造物を製造することもできる。
【００２８】
添付図面の図１１は、図８および９の実施例に関連してすでに記載されたシリコン振動構造物６を使用する本発明の第３実施例によるセンサを線図的に示し、駆動要素は電磁的、静電的、ピエゾ、熱または光学的に作動することができ、また振動構造物６の運動は、静電的、電磁的、ピエゾまたは光学的技術を使用して検出することができる。図１１は、静電駆動要素および静電ピックオフを使用するシリコンの二軸レートセンサを示している。振動構造物６は、前記のように通常リム７、脚部８およひ中央ボス９を有する、実質的に平坦な実質的にリング状の形状を有する。振動構造物６は、実質的に平坦な実質的にリング状の形状を有し、前記のように外側リム７。脚部８および中央ボス９を有する。構造物６はガラスまたは絶縁酸化表面層を備えたシリコンから作りうる絶縁層２１上に、ボス９を介して設置される。振動構造物６は駆動およびピックオフ要素として作用するすべての導体に対して一定電圧に維持される。
【００２９】
図１１の実施例において、Ｃｏｓ２θキャリヤモードで振動構造物６を振動させる手段は、二つの静電キャリヤ駆動要素２２および二つの静電キャリヤモードピックオフ要素２３を有し、ピックオフ要素２３は駆動要素２２に対して０°おわび１８０°に配置され、ピックオフ要素２３は振動構造物６の外側リム７に対してそれぞれ９０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θキャリヤモードで振動するとき、リム７の最大半径方向運動の点に隣接して外側リムの半径方向外側に設置される。これらのキャリヤモード駆動要素２２は、振動構造物６を振動せしめるため使用される。キャリヤモード非節点に設置されたキャリヤモードピックオフ要素２３は、振動構造物６の半径方向運動を感知する。
【００３０】
図１１の実施例において、揺動モード振動を感知する手段は、ｘ軸静電駆動要素２４、ｘ軸静電ピックオフ要素２５、ｙ軸静電駆動要素２６およびｙ軸静電ピックオフ要素２７を備え、ピックオフ要素２７はｙ軸駆動要素２６から垂直に離れてそれと重なる関係で外側リムに隣接して設置され、ｘ軸ピックオフ要素２５、ｙ軸ピックオフ要素２７およびｘ軸駆動要素２４は、それぞれ外側リムの周りに０°、９０°、１８０°および２７０°に配置されている。
ｘ軸レート応動モードの揺動運動は、リム７の下の支持層表面に設置されたピックオフ要素２５によって検出される。この運動は、リム７の反対側の下に同様に設置されたｘ軸駆動要素２４を使用してゼロにされる。ｙ軸レート応動運動は、ピックオフ要素２７を使用して同様に検出され、駆動要素２６によってゼロにされる。種々の駆動およびピックオフ導***置は、表面層に載置されたトラッキング２８を介して、ボンドパッド２９に接続される。ついで駆動およびピックオフ回路が、これらのボンドパッドに接続される。図１１のセンサの横断面は図１３に示されている。この図は平面内のトポグラフィおよび表面の導体を一層鮮明に示している。
【００３１】
添付図面の図１２は、三つの軸線上に加えられたレートを感知する本発明の第４実施例によるセンサを平面図で示す。このレートセンサは、基本的に図１１等の実施例と同様で、同じ部品は同じ参照符号で示され、さらに説明されることはない。図１２の実施例において、振動構造物６を振動させる手段は、二つの静電ｚ軸応動モード駆動要素３０および二つの静電ｚ軸応動モードピックオフ要素３１をさらに有し、ピックオフ要素３１は、応動モードで振動するとき、外側リム７に対する最大半径方向運動点に隣接してその半径方向外側に振動構造物６の外側リム７の平面内に設置されている。第１ｚ軸応動モード駆動要素３０、第１ｚ軸応動モードピックオフ要素３１、第２ｚ軸応動モード駆動要素３０および第２ｚ軸応動モードピックオフ要素３１は、振動構造物６の外側リム７の周りに４５°、１３５°、２２５°および３１５°にそれぞれ配置されている。ｚ軸レートセンサ応動モード運動は、ピックオフ要素３１によって検出される。
【００３２】
図１１および１２において質量およびひスチフネスを調節するため、振動構造物６からの材料除去は、レーザ研磨技術を使用して実施することができる。さらに図１１の二軸レートセンサは、八つの脚部を備えた振動構造物６を示しているが、図１０ａ，ｂおよびｃに示された構造物に対応する形状および形式をゆうするものを代わりに使用することができる。
種々の変形および変更が、図示しかつ記載された実施例に対して、特許請求の範囲の記載の範囲内でなしうるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によらない、通常の平衡音叉振動構造物の略図。
【図２】 ａは通常の方法でキャリヤモードとして作用する、対称共振器または振動構造物における変形Ｃｏｓ２θキャリヤモードの振動を示す線図で、ｂはａに対して４５°をなすが、しかし応動モードとして作用する別の変形Ｃｏｓ２θの線図。
【図３】 レートが、通常の方法でリングの平面に垂直な軸線（ｚ軸）の周りに加えられるとき、Ｃｏｓ２θキャリヤモード振動の非節点において、実質的にリング状の振動構造物に作用するコリオリの力を示す線図。
【図４】 レートが同じＣｏｓ２θキャリヤモードでｘ軸の周りに加えられるとき、実質的にリング状の振動構造物に加えられる力を示す線図。
【図５】 図４と同様の状態の、しかしｙ軸の周りの回転に対する線図。
【図６】 ａは本発明によるｙ軸上の休止位置からの振動構造物の本発明による揺動モードを示し、ｂはａと同様であるがｘ軸の休止位置の周りの振動構造物の揺動運動を示す図。
【図７】 本発明のセンサに使用するのに適した振動構造物の線図的平面図。
【図８】 本発明の一実施例による二軸レートセンサの線図的平面図。
【図９】 本発明の第２実施例による三軸レートセンサの線図的平面図。
【図１０】 ａは本発明による二軸レートセンサに使用する振動構造物の構造を示す図、ｂはａとは別の構造の図、ｃはさらに別の構造の図。
【図１１】 本発明の第３実施例による二軸レートセンサの線図的平面図。
【図１２】 本発明の第４実施例による三軸レートセンサの線図的平面図。
【図１３】 図１２の実施例の詳細端面図。
【符号の説明】
６ 振動構造物
７ リング状リム
８ 脚部
９ 中心ボス
１０ ｘ軸
１１ ｙ軸
１２ ｚ軸
１３ 電磁的キャリヤモード駆動要素
１４ 容量的ピックオフ要素
１５ ｘ軸電磁的駆動要素
１６ ｘ軸容量的ピックオフ要素
１７ ｙ軸電磁的駆動要素
１８ ｙ軸容量的ピックオフ要素
１９ 電磁応動モード駆動要素
２０ 容量応動モードピックオフ要素
２２ 静電キャリヤ駆動要素
２３ 静電キャリヤモードピックオフ要素
２４ ｘ軸静電駆動要素
２５ ｘ軸静電ピックオフ要素
２６ ｙ軸静電駆動要素
２７ ｙ軸静電ピックオフ要素
２８ トラッキング
２９ ボンドパッド
３０ ｚ軸応動モード駆動要素
３１ ｚ軸応動モードピックオフ要素
Claims (11)
- 少なくとも二つの軸に加えられたレートを検出するレートセンサであって、
振動構造物（６）と、
Cos2 θキャリヤモードにおける Cos2 θキャリヤモードの振動数で振動構造物（６）を振動させ、振動構造物（６）の平面上の少なくとも二つの軸線（１０，１１，１２）の一方又は他方を中心とする回転によって、Cos2 θキャリヤモードの振動数で振動構造物（６）を同じ軸線の周りで揺動運動させるために十分なコリオリの力を発生させる手段と、
揺動モード振動を検知して、加えられたレートを検出する手段とを備え、
振動構造物（６）が実質的に平坦なリングまたは輪形状をしており、
かつ前記振動構造物（６）の平坦なリングまたは輪形状が、前記振動構造物（６）における Cos2 θキャリヤモードの振動及び揺動運動の振動の振動数を一致させるように寸法決めされて、揺動運動の共振増幅を生じさせ、前記揺動モードの振動が加えられたレートに比例すること、
を特徴とするレートセンサ。 - 振動構造物（６）が、金属またはシリコンから作られていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
- 振動構造物（６）がリング状の形態を成し、実質的に中央ボス（９）から半径方向へ伸びる複数の脚部（８）によって支持されていること
を特徴とする請求項２に記載のセンサ。 - 少なくとも二つの軸（１０，１１）に加えられたレートを検出するため、金属から作られた平坦な輪状の振動構造物（６）を有するレートセンサであって、
振動構造物（６）をCos2 θキャリヤモードにおける Cos2 θキャリヤモードの振動数で振動させる手段が、
電磁的キャリヤモード駆動要素（１３）及び容量性キャリヤモードピックオフ要素（１４）を有し、
これらの要素がそれぞれ、振動構造物の外側リムに対してそれぞれ 0 °および 270 °に配置され、かつ Cos2 θキャリヤモードで振動する時の前記リム（７）の最大半径方向運動の点に近い、外側リム（７）の径方向外側で外側リム（７）の平面上に配置され、
揺動モード振動と供給レートを検出する手段が、
外側リム（７）から垂直方向に離れ、外側リム（７）と重なる位置関係で、外側リム（７）の近くに設置された、ｘ軸電磁的駆動要素（１５）とｘ軸容量性ピックオフ要素（１６）とｙ軸電磁的駆動要素（１７）とｙ軸容量性ピックオフ要素（１８）とを有し、
ｙ軸ピックオフ要素（１８）、ｙ軸駆動要素（１７）、ｘ軸駆動要素（１５）及びｘ軸ピックオフ要素（１６）が、それぞれ外側リム（１７）の周囲で0°、90°、180°および270°に配置されていること
を特徴とする請求項３に記載のセンサ。 - 三つの軸線（１０，１１，１２）に加えられたレートを検出するため、
Cos2 θキャリヤモードにおける Cos2 θキャリヤモードの振動数で振動構造物（６）を振動させる手段が、電磁応動モード駆動要素（１９）及び容量性応動モードピックオフ要素（２０）をさらに有し、
これら電磁応動モード駆動要素（１９）及び容量性応動モードピックオフ要素（２０）が、応動モードで振動させられた時、外側リム（７）に対する最大半径方向運動の点に近い振動構造物（６）の外側リム（７）の平面上に設置され、
前記電磁応動モード駆動要素（１９）及び容量性応動ピックオフ要素（２０）が、振動構造物の外側リム（７）に対してそれぞれ135°および225°に配置され、かつ、外側リム（７）の平面上でその径方向外側に配置されて、振動構造物（６）の平面に垂直な軸線の周りの回転を感知すること、
を特徴とする請求項４に記載のセンサ。 - 外側リム（７）が、平面的にほぼ円形であるか、又は平面的には実質的に長方形であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
- 振動構造物（６）が、ニッケル−鉄合金から作られていることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
- 振動構造物（６）を Cos2 θキャリヤモードにおける Cos2 θキャリヤモードの振動数で振動させる手段が、二つの静電キャリヤモード駆動要素（２２）および二つの静電キャリヤモードピックオフ要素（２３）を有し、振動構造物（６）の外側リム（７）に対して 0 °および 180 °に駆動要素（２２）が配置され、 90 °および 270 °にピックオフ要素（２３）がそれぞれ配置され、かつCos2 θキャリヤモードで振動する時に外側リム（７）の最大半径方向運動の点に近い外側リム（７）の半径方向外側に設置され、また揺動モード振動を検出する手段がｘ軸静電駆動要素（２４）、ｘ軸静電ピックオフ要素（２７）、ｙ軸静電駆動要素（２６）及び、リム（７）から垂直に離れてリム（７）と重なる位置関係で外側リム（７）に隣接して設置されたｙ軸静電ピックオフ要素（２７）を有し、ｙ軸駆動要素（２６）、ｘ軸ピックオフ要素（２５）、ｙ軸ピックオフ要素（２７）およびｘ軸駆動要素（２４）が、外側リムの周りに0°、90°、180°および270°にそれぞれ配置された、シリコンから作られた実質的に平坦で実質的にリング状の振動構造物（６）を有する、二つの軸（１０，１１）上に加えられたレートを検出することを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
- 振動構造物（６）を Cos2 θキャリヤモードにおける Cos2 θキャリヤモードの振動数で振動する手段が、二つの静電ｚ軸応動モード駆動要素（３０）および応動モードで振動する時、外側リム（７）に対する最大半径方向運動の点に隣接してその半径方向外方に振動構造物（６）の外側リム（７）の平面内に設置された二つの静電ｚ軸応動モードピックオフ要素（３１）をさらに有し、第１ｚ軸応動モードピックオフ要素（３１）、第２ｚ軸応動モード駆動要素（３０）および第２ｚ軸応動モードピックオフ要素（３１）が振動構造物（６）の外側リム（７）の周りにそれぞれ45°、135°、225°および315°に配置された、三つの軸線上に加えられたレートを検出することを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
- 外側リム（７）が平面的には実質的に円形で、外側リム（７）および脚部（８）がその上に取付けられた中央ボス（９）によって絶縁表層（２１）の上方に懸垂されることを特徴とする請求項９に記載されたセンサ。
- 振動構造物（６）が、その質量を変化させるため、外側リム（７）の端部からの材料の除去を制御することによって、または、外側リム（７）のスチフネスを変化させるため外側リム（７）の中立軸線からの材料の除去を制御することによって、 Cos2 θキャリヤモードおよび揺動モード振動の振動数を一致させるような寸法に決められることを特徴とする請求項３から１０のいずれか一項記載のセンサ。
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